ES2370456T3 - Sistema de detección de luz y de determinación de la distancia. - Google Patents

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Abstract

Un sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia, que comprende: una unidad (16) de espejo que gira alrededor de un eje (26) de exploración, la unidad (24) de espejo incluye: una parte (22) de recepción y una parte (20) de transmisión, estando situados los respectivos centroides de las partes (22, 20) de recepción y de transmisión en un punto común (30) del eje (26) de exploración mientras que las partes (22, 20) de recepción y de transmisión giran alrededor del eje (26) de exploración; un transmisor (12) que transmite un impulso luminoso hacia la unidad (16) de espejo, situándose la parte (20) de transmisión para reflejar el impulso luminoso hacia una diana (40) y un receptor óptico (14), situándose la parte (22) de recepción para reflejar el impulso luminoso reflejado desde la diana (40) hacia el receptor (14), que se caracteriza porque: la parte (20) de transmisión está desalineada en un ángulo (56) alrededor del eje (26) de exploración con relación a un plano superficial de la parte (22) de recepción y el desalineamiento angular (56) compensa el cambio entre el cono de iluminación de la parte de transmisión y el campo de visión de la parte (22) de recepción que resulta del giro de la unidad de espejos (16).

Description

Sistema de detección de luz y de determinación de la distancia
Antecedentes
La presente invención se refiere a un sistema óptico de exploración para la determinación de la distancia. Encuentra una aplicación particular en conjunción con un sistema de detección de luz y de determinación de la distancia (LIDAR) y se describirá con referencia particular al mismo. Se apreciará, sin embargo, que la invención también es válida para otras aplicaciones.
Un sistema de detección de luz y de determinación de la distancia (LIDAR) transmite un impulso de luz (por ejemplo, desde un láser) que se refleja en una diana. Un receptor óptico detecta la luz reflejada y se calcula la distancia hasta la diana a partir del tiempo de demora entre la transmisión del impulso de luz y la detección de la luz reflejada. El campo de visión del receptor y el haz de luz transmitida habitualmente concuerdan y están co-alineados para asegurar una máxima eficacia en la recogida de la luz. Si el LIDAR contiene un escáner óptico rápido (tal como un espejo que se mueve rápidamente), es posible que el campo de visión del receptor pierda el alineamiento con respecto al rayo de luz proyectado. Dicha pérdida de alineamiento viene provocada por un cambio en la dirección de puntería que se produce durante el tiempo necesario para que el impulso de luz viaje hasta la diana, se refleje y vuelva de nuevo hasta el receptor. La extensión de este desalineamiento es un “desfase angular” que depende de la velocidad del escáner y de la distancia a la diana. Para una exploración LIDAR que esté “limitada por la difracción” (es decir, la divergencia del rayo de luz está solamente limitada por la longitud de onda y el diámetro del rayo en la abertura de salida del LIDAR), la velocidad angular del escáner ωκ (medida en radianes/segundo) para la cual el desfase angular es la mitad del rayo de luz transmitido la divergencia es:
en la que λ es la longitud de onda de la luz transmitida (en metros) c es la velocidad de la luz (~ 3 x 108 m/segundo) D es el diámetro del rayo de luz transmitido en la abertura de salida del LIDAR (en metros) y R es la distancia hasta la diana (en metros). Si el campo de visión del receptor está inicialmente alineado con un cono de iluminación de luz transmitida, la señal
recibida se reduce por el desfase angular. El efecto empeora en distancias mayores y a medida que aumenta la
velocidad del escáner. Si el sistema LIDAR no está limitado por la difracción y la divergencia del rayo transmitido es ∆, entonces la fórmula anterior se convierte en:
Por ejemplo, si la divergencia del rayo es 2 milirradianes (mrad) y la distancia a una diana es 3 km, la velocidad angular a la cual el desfase angular es la mitad de la anchura del rayo del transmisor es 50 radianes / segundo, o 480 revoluciones / minuto (rpm). En este caso si el campo de visión del receptor coincide con la divergencia del rayo de luz transmitido, el desfase angular es todavía lo suficientemente pequeño para que el receptor óptico detecte alguna pequeña cantidad de luz dispersada desde la diana, pero para velocidades del escáner superiores a 960 rpm, el efecto del desfase angular provoca que el campo de visión del receptor pierda u oscurezca completamente la señal a partir de 3 km en adelante. La condición para este oscurecimiento completo es:
Todos los sistemas LIDAR, bien sean de exploración o fijos, a menudo deben enfrentarse con otro intervalo dinámico de gran emisión de señales. El intervalo dinámico de señales es la relación de la intensidad de la señal de luz máxima 5
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detectable (es decir, la saturación del detector) con respecto a la intensidad de la señal de luz mínima detectable. La señal detectada disminuye rápidamente con el aumento de la distancia a la diana a distancias más cercanas puede sobresaturar el receptor, mientras aquellas de dianas a mayores distancias pueden ser escasamente detectables. Una técnica de diseño conocida como “compresión geométrica” puede reducir el intervalo dinámico controlando la superposición fija de los campos ópticos de visión del transmisor y del receptor, la separación de los dispositivos ópticos del receptor y del transmisor y el efecto pantalla del receptor producido por los dispositivos ópticos del transmisor para atenuar la señal en distancias cortas. El tiempo de demora de la señal de luz recibida con respecto al impulso de luz transmitido no entra en este cálculo de compresión ya que estos parámetros de diseño son estáticos. La compresión geométrica puede beneficiar los sistemas LIDAR tanto de exploración como fijos.
La presente invención suministra un aparato nuevo y mejorado y un procedimiento que resuelve los problemas antes mencionados.
El documento DE 69114461 T2 divulga un dispositivo de telemetría para detectar y localizar objetos mediante retrodispersión, particularmente el humo de incendios forestales o aerosoles. El dispositivo incluye una fuente láser que emite impulsos repetitivos, un medio para detectar un rayo retrodispersado y una cabeza orientable que dirige el rayo láser emitido en azimut y elevación. Una cabeza reflectora 4 incluye un espejo principal plano 17 (espejo de recepción) sobre el cual se monta un espejo secundario 18 (espejo de transmisión). El espejo secundario 18 está centrado con el espejo principal 17 sobre un eje pivotante 24. Un rayo emitido 19 se refleja en un espejo 20 hacia el espejo de transmisión 18. Un rayo recibido 16 es reflejado por el espejo 17 de recepción hacia el espejo 11 y luego hacia el espejo 12 antes de ser dirigido por el espejo 12 (y un espejo 15) hacia un detector 2. La dimensión y el ángulo del espejo 20 protegen al detector 2 de un fenómeno de deslumbramiento.
El documento EP 0173617 divulga un sistema transceptor láser para imágenes de vídeo. Un iluminador láser 1 crea un rayo láser a lo largo de una dirección de visionado. Un receptor 2 incluye un detector 22 para detectar la radiación luminosa del láser reflejada por una diana iluminada. Un dispositivo 3 de separación de trayectoria y de exploración dirige la radiación reflejada hacia el detector y desplaza el rayo mediante un giro angular para explorar un área predeterminada. Un medio 41, 42 de desviación óptica produce un desplazamiento angular relativo entre la dirección de visionado del iluminador y la del receptor para compensar la rotación de exploración mientras el rayo de luz es transportado entre el sistema y la diana iluminada. El medio de desviación óptica incluye un dispositivo óptico deflector 41, que es controlado por un circuito 42 de control de acuerdo con las variaciones en la velocidad de exploración y la distancia a la diana.
El documento US 4311385 divulga un sistema láser de exploración de detección que tiene dispositivos ópticos 18 que compensan las desviaciones angulares de una señal recibida. Un control 48 gira los dispositivos ópticos 18 de compensación del desfase angular para alinear ópticamente una señal de referencia y una señal recibida para que sean paralelas entre sí a lo largo de la trayectoria óptica 40.
El documento US 5485009 divulga un sistema láser de formación de imágenes que incluye un iluminador láser que transmite un rayo luminoso a lo largo de una dirección de señalización. Un receptor incluye un dispositivo de detección que detecta la radiación láser devuelta desde un objeto. El dispositivo de detección incluye una matriz lineal de N elementos yuxtapuestos. El receptor incluye circuitería electrónica que incluye N canales de recepción y está equipado con circuitos para la identificación de la distancia a través del rango del canal de detección. Unos circuitos de compensación para el desplazamiento de tiempo exhibido por las señales de vídeo en función de la distancia lleva de nuevo al objeto iluminado a una posición angular correcta.
El documento US 4326799 divulga un sistema de exploración que combina la detección activa y pasiva de la radiación procedente de dianas. En el modo activo, se explora un rayo láser con una cuña giratoria en un patrón Palmer que mira hacia abajo. Una parte del rayo es reflejada desde las dianas. Cuatro transductores de inclinación, colocados en ángulo recto entre si entre una superficie exterior de la cuña de exploración 124 y un anillo interno 140 compensan la falta de registro del rayo de una señal recibida.
El documento US 3523730 divulga un sistema de localización de objetos. Los láseres tienen impulsos “largos” de forma que la duración de cada impulso sea larga en comparación con el tiempo necesario para que la luz se propague hacia un objeto y vuelva de nuevo. La distancia se mide explorando un rayo estrecho a través de un campo de visión que incluye el objeto. Se usa un ángulo entre el rayo transmitido y el rayo reflejado para determinar la distancia al objeto.
De acuerdo con la invención se suministra un sistema de detección de luz y de determinación de la distancia de acuerdo con la reivindicación 1.
Breve descripción de los dibujos
En los dibujos adjuntos, que se incorporan y que constituyen parte de la memoria técnica, se ilustran realizaciones de la invención, que junto con una descripción general de la invención anteriormente dada y la descripción detallada que
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se ofrece más abajo, sirven para ejemplificar las realizaciones de esta invención.
La figura 1 ilustra una vista lateral de un sistema de exploración de acuerdo con una realización de un aparato que ilustra los principios de la presente invención.
La figura 2 ilustra una vista superior del sistema de exploración de la figura 1.
La figura 3 ilustra una representación esquemática de los campos de visión descompensados del transmisor y del receptor.
La figura 4 ilustra un gráfico de las señales recibidas frente a la distancia para el cono de iluminación descompensado del transmisor y el campo de visión del receptor mostrados en la figura 3.
La figura 5 ilustra una representación esquemática de un cono de iluminación compensado del transmisor y el campo de visión del receptor, de acuerdo con una realización de un aparato que ilustra los principios de la presente invención.
La figura 6 ilustra un gráfico de la señal recibida frente a la distancia para el cono de iluminación compensado del transmisor y el campo de visión del receptor mostrados en la figura 5.
Descripción detallada de la realización ilustrada
Con referencia a la figura 1, un sistema LIDAR 10 de exploración óptica incluye un transmisor 12 y un receptor óptico
14. Una unidad 16 de espejo incluye una parte 20 de transmisión y una parte 22 de recepción. En una realización, tanto el transmisor 12 como el receptor óptico 14 giran (exploran) juntos a una velocidad de rotación constante en una dirección. Más específicamente, los elementos giratorios, específicamente la unidad 16 de espejo, giran (según se ilustra en 24) a una velocidad predeterminada alrededor de un eje 26 de exploración. Las partes 20, 22 de transmisión y de recepción están, respectivamente, situadas de forma concéntrica para que tengan un centroide común 30. Los centroides 30 se sitúan en un punto común sobre el eje 26 de exploración.
Un impulso 32 de luz que sale del transmisor 12 pasa a través de al menos una lente 34 para colimar el impulso 32 de luz. El impulso 32 de luz se refleja entonces en un primer espejo 36 (por ejemplo, un espejo plano) hacia la parte 20 de transmisión de la unidad 16 de espejo, donde el impulso 32 de luz se refleja hacia una diana 40. Un cono de iluminación 42 del transmisor (consulte las figuras 3 y 5) del impulso 32 de luz transmitido desde la parte 20 de transmisión hacia la diana 40 está definido por una divergencia que determina el tamaño del punto del impulso 32 de luz sobre la diana 40. El impulso 32 de luz se refleja en la diana 40 de nuevo hacia la parte 22 de recepción de la unidad 16 de espejos. Un campo de visión 44 del receptor (consulte las figuras 3 y 5) del impulso 32 de luz reflejado desde la diana 40 hasta la parte 22 de recepción está definido por la gama completa de ángulos de incidencia que podrían detectar un impulso 32 de luz sobre la parte 22 de recepción y normalmente coincide en divergencia con el cono de iluminación transmitido. El impulso 32 de luz reflejado se refleja en la parte 22 de recepción de la unidad 16 de espejos hacia un espejo 46 circular (por ejemplo, esférico), que refleja el impulso 32 de luz hacia un segundo espejo 50 (por ejemplo, un espejo plano). El impulso 32 de luz se refleja en el segundo espejo 50, pasa a través de al menos una lente 52 y es detectado por el receptor óptico 14.
Los dispositivos electrónicos 54 que comunican con el receptor óptico 14 determinan una distancia hasta la diana 40 en función del momento en que el impulso de luz es recibido en el receptor óptico 14. En una realización, la distancia hasta la diana 40 se determina midiendo el tiempo de demora de la luz recibida en el receptor óptico 14 con respecto a la transmisión del impulso de luz original.
El período de tiempo entre el cual el impulso 32 de luz deja el transmisor 12 y se recibe en el receptor óptico 14 se denomina tiempo de demora. El movimiento rotacional de los elementos giratorios durante el tiempo de demora desplaza el campo de visión 44 del receptor (consulte las figuras 3 y 5) con respecto al cono de iluminación 42 del transmisor (consulte las figuras 3 y 5). Este desplazamiento entre el cono de iluminación y el campo de visión del receptor 42, 44 da como resultado un desfase angular 56 (consulte la figura 2) entre el cono de iluminación del transmisor y el campo de visión del receptor 42, 44. El desfase angular 56 aumenta en función del tiempo de demora y de la velocidad de exploración. Por lo tanto, el desfase angular 56 aumenta en función de la distancia entre la parte 20 de transmisión de la unidad 16 de espejos, la diana 40 y la parte 22 de espejo del receptor. La distancia entre la unidad 16 de espejos (que incluye los espejos 20 y 22) y la diana 40 se denomina distancia a la diana. Si el cono de iluminación 42 del transmisor y el campo de visión 44 del receptor están coalineados para las dianas a distancias relativamente cortas (tal como típicamente ocurre en el caso de los sistemas LIDAR), el desfase angular aumenta con la distancia a la diana.
Según se ilustra en la figura 2, se efectúa un desalineamiento angular (ajuste) entre las partes 20, 22 de transmisión y de recepción para compensar este desfase angular 56. Por lo tanto, el ajuste angular se denomina también compensación del desfase angular. Más específicamente, la parte 20 de transmisión gira ligeramente alrededor del eje
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26 en la misma dirección 24 de la exploración. Por lo tanto, el cono de iluminación 42 del transmisor siempre se dirige hacia el campo de visión 44 del receptor, fuera de la distancia máxima. El ajuste angular es igual al tiempo de demora de la distancia máxima de trabajo a la diana multiplicado por una velocidad rotacional de los elementos giratorios. Por lo tanto, para este ajuste, la superposición del cono de iluminación 42 del transmisor y del campo de visión 44 del receptor y la eficacia de recepción del receptor es mayor en la distancia de trabajo máxima a la diana.
La figura 3 ilustra la superposición del cono de iluminación 42 del transmisor y del campo de visión 44 del receptor en un sistema sin compensación de desfase angular. La figura 4 ilustra un gráfico 60 del logaritmo de la intensidad del receptor frente a la distancia a la diana para la configuración de la figura 3. Con referencia a las figuras 3 y 4, la intensidad de la luz recibida en el receptor óptico 14 (consulte la figura 1) se determina como una función de la distancia a la diana. Por ejemplo, a medida que aumenta la distancia a la diana, para una reflectividad constante de la diana, la intensidad de la luz recibida en el receptor óptico 14 (consulte la figura 1) disminuye (por ejemplo, disminuye rápidamente). Consecuentemente, para una diana dada, la intensidad de la luz en el receptor óptico 14 (consulte la figura 1) puede variar significativamente a lo largo de la distancia de trabajo. La intensidad de la luz detectada en el receptor óptico 14 (consulte la figura 1) en la distancia 62 se corresponde con el umbral del receptor. A causa del tiempo de demora, se produce una superposición mínima 64 a la distancia 62 del umbral del receptor, que contribuye a debilitar la intensidad en el receptor óptico 14 (consulte la figura 1). Además el gráfico 60 ilustra que se produce una superposición máxima 66 a la distancia 70 de saturación del receptor (más cerca del receptor óptico 14 (consulte la figura 1)), que contribuye a saturar el receptor 14 (consulte la figura 1). A distancias muy cortas se produce una reducción de la caída de la señal debido al oscurecimiento del espejo de transmisión del campo de visión 44 del receptor, una forma de compresión geométrica. Aunque no es evidente una reducción de la señal a distancias cortas en la figura 4 (gráfico 60), se ilustra una reducción de la señal en la figura 6 (gráfico 72).
La figura 5 ilustra una superposición del cono de iluminación 42 del transmisor y del campo de visión 44 del receptor en un sistema con compensación de desfase angular. La figura 6 ilustra un gráfico 72 del logaritmo de la intensidad en el receptor frente a la distancia a la diana. Con referencia a las figuras 5 y 6, la intensidad de la luz recibida en el receptor óptico 14 (consulte la figura 1) se determina como una función de la distancia a la diana. Por ejemplo, a medida que aumenta la distancia a la diana, disminuye la intensidad de luz recibida en el receptor óptico 14 (consulte figura 1) (excepto a distancias muy cortas). Sin embargo, a diferencia de la realización ilustrada en las figuras 3 y 4, el gráfico 72 muestra que la intensidad de la luz detectada por el receptor óptico 14 (consulte figura 1) está entre el umbral 74 del detector y el límite 76 de saturación del detector a lo largo de la distancia de trabajo completa a la diana (por ejemplo, entre 2 metros y aproximadamente 3000 metros). Además, a causa de la compensación del desfase angular, la superposición máxima 82 entre el cono de iluminación 42 del transmisor y el campo de visión 44 del receptor se produce aproximadamente en la distancia máxima a la diana (por ejemplo, aproximadamente 3000 metros), mientras la superposición mínima 84 entre el cono de iluminación 42 del transmisor y el campo de visión 44 del receptor se produce aproximadamente a la distancia mínima a la diana. La compensación del desfase angular aumenta la señal luminosa detectada por el receptor óptico 14 (consulte figura 1) desde una diana situada a la máxima distancia de trabajo y disminuye la señal recibida a distancias cortas, y así el intervalo dinámico de la intensidad luminosa detectada se comprime a lo largo de la distancia de trabajo completa.
El menor intervalo dinámico de las señales luminosas en el receptor óptico 14 (consulte figura 1) reduce los requisitos del sensor del receptor y los dispositivos electrónicos asociados. Los dispositivos electrónicos de alta velocidad con un alto intervalo dinámico a menudo son caros y difíciles de fabricar.
En una realización, la compensación del desfase angular se hace más pequeña que el cono de iluminación del transmisor y/o el campo de visión del receptor en todas las distancias de trabajo del sistema. Se obtienen resultados similares si el campo de visión del receptor y la divergencia del transmisor son diferentes y la compensación del desfase angular es la misma que el desfase angular máximo esperado. La cantidad de desfase relativo para el campo de visión del receptor y el cono de iluminación del transmisor puede adaptarse para minimizar el intervalo dinámico de la intensidad luminosa recibida por el receptor mientras se maximiza la intensidad luminosa recibida en el receptor para dianas situadas a largas distancias.
Se contempla que el sistema LIDAR explore rápidamente (por ejemplo, el tiempo de vuelo de los impulsos luminosos no es insignificantemente corto con relación al movimiento de exploración asociado en porcentaje del tamaño del punto iluminado) y también unidireccionalmente, donde el desfase angular está siempre en la misma dirección y magnitud del desfase angular está linealmente relacionado con la distancia. Para un sistema de exploración lenta (por ejemplo, el tiempo de vuelo del impulso de luz es insignificantemente corto con relación al movimiento de exploración asociado en porcentaje de tamaño del punto iluminado), es innecesaria la compresión de la señal mediante optimización de compensación del desfase angular (SCOLAC) y no puede comprimir significativamente el intervalo de intensidad de la luz recibida. Para sistemas de exploración rápidos en los que la dirección de exploración se invierte o se mueve en direcciones diferentes (por ejemplo un escáner de espejo Palmer) podría utilizarse la SCOLAC, pero sería más difícil de implementar si, por ejemplo, el movimiento en sentido contrario no fuese de velocidad constante (por ejemplo, como en un escáner sinusoidal).
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Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia, que comprende: una unidad (16) de espejo que gira alrededor de un eje (26) de exploración, la unidad (24) de espejo incluye: una parte (22) de recepción y una parte (20) de transmisión, estando situados los respectivos centroides de las partes (22, 20) de recepción y de transmisión en un punto común (30) del eje (26) de exploración mientras que las partes (22, 20) de recepción y de transmisión giran alrededor del eje (26) de exploración;
    un transmisor (12) que transmite un impulso luminoso hacia la unidad (16) de espejo, situándose la parte (20)
    de transmisión para reflejar el impulso luminoso hacia una diana (40) y un receptor óptico (14), situándose la parte (22) de recepción para reflejar el impulso luminoso reflejado desde la diana (40) hacia el receptor (14),
    que se caracteriza porque:
    la parte (20) de transmisión está desalineada en un ángulo (56) alrededor del eje (26) de exploración con relación a un plano superficial de la parte (22) de recepción y
    el desalineamiento angular (56) compensa el cambio entre el cono de iluminación de la parte de transmisión y el campo de visión de la parte (22) de recepción que resulta del giro de la unidad de espejos (16).
  2. 2. El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 1, en el que el impulso de luz reflejado por la parte (22) de recepción es recibido por el receptor (14), el sistema incluye además:
    dispositivos electrónicos (54) que comunican con el receptor óptico (14) para determinar una distancia a la diana
    (40) en función del tiempo de demora del impulso de luz recibido en el receptor óptico (14).
  3. 3.
    El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 2, en el que:
    la distancia a la diana (40) se determina en función del tiempo de demora del impulso luminoso detectado en el receptor óptico (14).
  4. 4.
    El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 3, en el que:
    la intensidad del impulso luminoso es detectable en el receptor óptico (14) cuando la distancia a la diana (40) es aproximadamente 3 km.
  5. 5.
    El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 1, en el que el campo de visión de la parte de recepción se superpone con el cono de iluminación de la parte de transmisión en función de la distancia a la diana (40).
  6. 6.
    El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 5, en el que el campo de visión de la parte de recepción y el cono de iluminación de la parte de transmisión se superponen substancialmente de forma completa a una distancia máxima a la diana (40) detectable por el receptor óptico (14).
  7. 7.
    El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 6, en el que el campo de visión de la parte de recepción se superpone aproximadamente en ½ del cono de iluminación de la parte de transmisión a aproximadamente ½ de la distancia máxima a la diana (40) detectable por el receptor óptico (14).
  8. 8.
    El sistema (10) de detección de luz y de determinación de la distancia según la reivindicación 1, en el que las partes de recepción y de transmisión son concéntricas.
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ES08253634T 2007-11-14 2008-11-06 Sistema de detección de luz y de determinación de la distancia. Active ES2370456T3 (es)

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US940011 2007-11-14
US11/940,011 US7746449B2 (en) 2007-11-14 2007-11-14 Light detection and ranging system

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